結晶シリコン太陽電池の パッシベーティングコンタクト技術 · 結晶シリコン太陽電池の パッシベーティングコンタクト技術 1産業技術総合研究所太陽光発電研究センター
新材料BaSi2による 薄膜太陽電池開発の現状 新材料BaSi 2 による...
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1
新材料BaSi2による 薄膜太陽電池開発の現状
筑波大学 数理物質系
教授 末益 崇
2
シリコン系
化合物系
有機系
結晶シリコン
アモルファル
単結晶シリコン
多結晶シリコン
微結晶シリコン
多接合へテロ接合型(HIT)III-V族(GaAs)
CIGS系 (CuInSe2 )
CdTe
有機半導体
色素増感
厚みによる分類結晶シリコン太陽電池
薄膜太陽電池
接合数による分類単接合型太陽電池
多接合型太陽電池
動作原理による分類pn接合型太陽電池
色素増感太陽電池
材料による分類
太陽電池
殆どの太陽電池は、この型です
市販品の殆どは、この型です
50-300m
< 10m
太陽電池の分類
シリコン系新材料
a=0.892nm
c=1.158nm
b=0.680nm
BaSi2
構造が単純、太陽電池動作の科学的根拠が明確薄膜単接合で効率25%超を目指せる
Siベース多接合への展開も可能
Si基板
a軸配向BaSi2 pn接合(2m)
光吸収係数 が大きく、禁制帯幅1.3eVの新材料現在(JST-CREST 2010~)
ガラス基板
a軸配向BaSi2 pn接合(2m)
将来
a=0.892nm
c=1.158nm
b=0.680nm
BaSi2
安全・安心な豊富な元素を用いて、エネルギー変換効率25%超を目指せる薄膜太陽電池
結晶Si系 薄膜Si系 CIS系 CZTS CdTe III‐V 有機
特徴は?
「太陽電池に適したEg」 + 「資源が豊富」 + 「吸収係数が大きく薄膜化可能」
+ 「Si(001),(111)面に高品質成長が可能」+ 「とLの両方が大きい」
太陽光との整合: Eg
1.4 eVに制御可能
1.1 eV 1.7 eV(a‐Si)1.1eV(‐Si)
1m程度
1.4 eVに制御可能
1.4‐1.5eV 1.4 eV 0.66‐2.0eV 1.0‐2.0eV
資源量(地殻中存在
順位)
光吸収層の膜厚
長期安定性光劣化
結晶品質
Si(2位)Ba(14位)Sr(15位)
Si(2位) Si(2位) In(65位)Se(66位)
Cd(62位)Te(70以下)
Cu(26位)Zn(24位)Sn(50位)S(16位)
Ga(34位)As(51位) Ti(9位)
I(58位)
100m 数10m 数m 数m 数m 数m 数m
光劣化無し 光劣化 光劣化無し 光劣化無し 電極材拡散 光劣化無し
高配向膜高品質
バルク結晶
アモルファス+
微結晶微結晶 微結晶
高品質エピ膜微結晶
アモルファス+
微結晶
光劣化無し
BaSi2
効率
資源
膜厚
安定性
効率
材料
項目
日本発の新しい太陽電池材料置換(Toxic NonToxicヘ)
5
0 10 20 30 40 50 60 70 80 901E-5
1E-4
1E-3
0.01
0.1
1
10
100
Atomic number
Ex
iste
nce
ratio
in e
arth
’s c
rust
[%
]O
SiAl
Mg
FeCa
GaGe
As
Se
Sr
Cd
In
Sn
Sb
Ba
Pb
W
P Mn
Te
S
H
Li
BeB
C
N
桜井弘 「元素111の新知識」 (講談社, 1997年)
資源が豊富: Si, Ba (Sr)
6
102
103
20 30 40 50 60 70
102
103
*Si(222)
Si(111)BaSi2(600)
BaSi2(400)BaSi2(200)
Si(111) sub.
(b)
(a)
SOI sub.
Inte
nsity
(Cou
nts)
2 (deg)
SiO2
0.1m-Si(111)
along Si[1-10] along Si[11-2]RDE-BaSa2
MBE-BaSi2
大きな光吸収係数 薄膜化に有利
SiO2
m-Si(111)
Undoped n-BaSi2
Ba
Ba Si
BaSi2 template (10nm)
SiO2
SiO2
7
0 500 1000 1500 2000 25000.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Tr
ansm
ittan
ce
Wavelength (nm)
T
Tm
TM
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5102
103
104
105
106
Abs
orpt
ion
Coe
ffic
ient
(cm
-1)
Photon Energy (eV)
0.5 1.0 1.5 2.0 2.50
1
2
3
4
5
(adh
)1/
2 (eV
1/2 )
Photon Energy (eV)
R. Swanepoel: J. Phys. E: Sci. Instrum. 16 (1983) 1214.
mM TTT
Toh,…, Suemasu, Jpn. J. Appl. Phys. 50 (2011) 06800.
1.34eV
3×104 cm‐1
結晶Siの40倍程度
~0.3mで、63%の光を吸収する
8Migas et al., phys. stat. sol. (b) 244 (2007) 2611.
Ge SiGaAs 大きなL(間接遷移型半導体)と、
大きな光吸収係数()が利用できる
LL)R(qj
1
10L & の両方が大きい材料が有利
Si: 大きな L & 小さな (間接遷移型)GaAs: 小さな L & 大きな (直接遷移型)
光電流(密度)
薄膜でも大きな光電流が期待できる
: 光吸収係数L: 少数キャリア拡散長~光励起キャリアを補修できる範囲
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BaSi2 光吸収層(n~1016 cm-3)で、約9m
Baba,.., Toko, T. Suemasu, JCG 348 (2012) 75.
0 10 20 30 40 50 60 70 80
EBIC
cur
rent
[arb
. uni
t]A'
Distance [m]A
μm49.L),Lxexp(
大きな少数キャリア拡散長L 光電流に有利
10
3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0
3x1015
4x1015
5x1015
6x1015
7x1015
8x1015
Elec
tron
dens
ity [c
m-3
]
1000/T [1/K]
300 250 200 150
0
300
600
900
1200
Mob
ility
[cm
2 /Vs]
Temperature [K]
Morita,…, Suemasu, Thin Solid Films 508 (2006) 363.
BaS i
Zintl phase (Aa Xx )Si-Si: covalentBa-Si: ionic
B
Al
Ga
In
N
P
As
Sb
Si
11 13 14 15
Baサイトより、Siサイトが置換されやすいY. Imai et al., Intermetallics 15 (2007) 1291.
Thin Solid Films 515 (2007) 8242.APEX 1 (2008) 051403.
n=5×1015cm-3
e =820cm2/Vs
アンドープBaSi2 の電気特性
Cu
Ag
不純物ドーピングによる伝導型・キャリア密度の制御
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Du,…, Baba,.., Suemasu, Appl. Phys. Lett. 100 (2012) 152114.
Sb doped n+-BaSi2undoped n-BaSi2
0.4 m
Tunnel Junction
Si(111)1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.50
20
40
60
80
IQE
(%)
Photon energy (eV)
0 V
0.5 V
1.0 V
1.5 V
2.0 VRT
AV
分光感度特性
内部量子効率 > 70%
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新技術の特徴・従来技術との比較
• 従来はCIGS, CZTS, CdTeが薄膜太陽電池の 代表。しかし、必ずしも資源が豊富では無い。
・本技術の適用により、資源が豊富な元素のみ を使い、従来の薄膜太陽電池以上のエネル ギー変換効率が期待できる。
・Siベースのタンデム型太陽電池への展開も可能
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Si(111)
BaSi2 (0.4 m)
hv
n+-BaSi2
W. Du,.., M. Baba,.., T. Suemasu, Appl. Phys. Lett. 100 (2012) 152114.
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.50
20
40
60
80
100
IQE
(%)
Photon energy (eV)
0 V
0.5 V
1.0 V1.5 V
2.0 V
RTTarget
pn diode
Si(111)
Formation of B-doped p+-BaSi2To be presented at Int. Conf. on MBE in Sept. 26, 2012
n-BaSi2 (2 m)
p+-BaSi2
内部量子効率 > 70%
n∼1016cm-3
Si(111)
n+-BaSi2
2mまで厚膜化
n-BaSi2 (2 m)
pn diode on Glass
Glass
p+-BaSi2
<111>Si by AIC
n-BaSi2 (2 m)
H24年6月現在の研究フェーズ
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実用化に向けた課題
• 現在、薄膜成長、光学特性、ドーピング等の太陽電 池作製のための要素技術を確立。
• 光吸収係数、キャリア拡散長等、光電流の大きさを
支配するパラメータの測定に成功。極めて良好な値。
• 大きな内部量子効率を実現(高品質薄膜成長)
現在、in-situおよびex-situ(イオン注入)法による、
pn接合形成に向けて取り組んでいる。
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全体の研究計画全体の研究計画
・ガラス基板への展開・スパッタ法によるBaSi2 膜の形成
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ガラス基板への展開
(111)‐oriented SiAnneal
500℃, 10 h
SiO2 SiO2 SiO2
a-Si(100 nm)Al(100 nm)
Alpoly-Si
MBE substrates
RMS = 14.7 nm
SiO2 Sub SiO2 Sub SiO2 Sub
(111)-oriented Si (111)-oriented Si (111)-oriented Si
Undoped n-BaSi2~300 nm(~1016 cm-3)
RDE growthTsub: 550℃
MBE growthTsub: 500℃
n-BaSi2 template
Tsukada,…..Suemasu, J. Cryst. Growth 311 (2009) 3581.
100μm
EBSD(ND)
5 mm5 mm 5 mm5 mm
Al-induced crystallization (AIC) methodNast et al.; Appl. Phys. Lett. 73 (1998) 3214.
17
1.0 1.5 2.0 2.50.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
4 V
2V (AIC-Si ×10)1 V
2 V
3 V
5 V
2%
4%
6%
8%
Phot
ores
pons
ivity
(A/W
)
Photon energy (eV)
RT
1.5 mm
n-BaSi2 (0.3 m)
<111>Si by AIC (p~1018cm-3)
SiO2
hv
0.4 m
1.0 1.5 2.0 2.50.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
2V (AIC-Si ×10)
Phot
ores
pons
ivity
(A/W
)
Photon energy (eV)
RT
0.1m
Tsukada,…..Suemasu, Appl. Phys. Express 2 (2009) 051601.
18
111
100 110
(a) (b) (c)
50 m 50 m 50 m
Underlayers
SiO2 AZO ITO
EBSD
images
Al(100nm)
SiO2 sub.
a-Si(100nm) Al
SiO2 sub.
poly-SiTCO TCO
SiO2 sub.
poly-SiTCO
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スパッタ法でのBaSi2 膜の形成
東ソー製スパッタターゲット
1.0 1.5 2.0 2.5
0
2
4
6 RT
Phot
ores
pons
ivity
[mA
/W]
Photon energy [eV]
bias voltage0V 0.5V 1.0V1.5V 2.0V
SiO2
undoped n-BaSi2(0.5 m)
1.5 mm
hv
Stripe-shaped electrode
米山貴裕,岡田敦史,鈴野光史,渋田見哲夫,松丸慶太郎,都甲 薫,末益 崇 "スパッタ法によるBaSi2 薄膜の形成と評価," 第59回応用物理学関係連合講演会, 17p-GP17-3, 東京, March 17 (2012).
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企業への期待
• ガラス基板へのBaSi2の展開について、
企業との共同研究を希望。
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発明人: 末益 崇出願番号: 2007-223671(筑波大学)国際番号: PCT/JP2008/065312(JST)
「半導体材料、それを用いた太陽電池、およびそれらの製造方法」
「シリコンをベースとする高効率太陽電池およびその製造方法」発明人: 末益 崇出願番号: 2007-208729(筑波大学)米国出願番号: US2009/0044862(JST)
(1) BaSi2太陽電池
(2) ドーピング技術
n+-BaSi2 /n-BaSi2接合をもつ太陽電池
Sb, As-doped n-BaSi2
本技術に関する知的財産権
特許第4998923Patent No.7999178
(3) 未公開
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お問い合わせ先
筑波大学数理物質系 教授 末益 崇
e-mail suemasu@bk.tsukuba.ac.jp
(事務支援)
研究推進部産学連携課(産学交流) 坂本正己
TEL 029-853-2906 FAX 029-853-6565E-mail [email protected]